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新手已上路木蟲 (職業(yè)作家)
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量子力學(xué)殺死了因果順序？ 已有6人參與
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在量子疊加態(tài)中，量子物體可以同時處于兩個在經(jīng)典世界里不相容的態(tài)，如同著名的“薛定諤的貓”處于既活又死的疊加態(tài)一樣。而最近的研究表明，量子物體不僅可以處于兩個不相容態(tài)的疊加，還可以處于兩個事件順序的疊加。我們通常認(rèn)為時間按照一個確定的時間順序發(fā)生，比如A發(fā)生了，（并導(dǎo)致了）之后B發(fā)生，或者反過來。然而，在特定的量子過程中，事件不會按照某一個確定的順序發(fā)生，而是同時按照兩個不同的順序（A在B前面，A在B后面）發(fā)生。這種反直覺的現(xiàn)象被稱為“因果不可分離性”（causal nonseparability）。 “在日常生活中，我們都習(xí)慣于經(jīng)歷一件事情接在另一件事情之后發(fā)生，原因先于結(jié)果，”維也納大學(xué)與維也納量子光學(xué)與量子信息中心的物理學(xué)家Mateus Araújo說，“因此，如果發(fā)現(xiàn)大自然在背后其實并不按照這一套工作，事件可以不按照一個確定的因果順序發(fā)生，可能會讓人有點不安。” 在此之前，量子力學(xué)中的因果不可分離性一直都是一個抽象的構(gòu)想，沒有清晰的物理學(xué)詮釋，但在最新的《新物理學(xué)雜志》（New Journal of Physics）發(fā)表的一篇論文中，Araújo和他的合作者提出了一個物理上的量子過程例子，可以描述因果不可分離性。 “愛因斯坦的相對論已經(jīng)動搖了絕對的全局時空觀，告訴我們每個人所經(jīng)歷的時間，以及時間關(guān)系是可以不相同的：兩個不同參考系中的不同觀察者，對于兩個事件發(fā)生的先后順序的觀察結(jié)果或許會不同。”論文的另一位作者，法國國家科學(xué)研究中心與格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)的Cyril Branciard說。 “而另一方面，量子力學(xué)則動搖了我們對‘真實’的理解。它告訴我們，物理系統(tǒng)可能不會擁有定義明確、界限分明的性質(zhì)，而是處于幾種不相容狀態(tài)的疊加上，比方說，一只可憐的貓可能同時既是活的也是死的。而現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，不僅物理狀態(tài)之間的界限不再分明，甚至因果關(guān)系（或者說因果順序）也會變得不再明確，可以處于某種程度上的疊加�！� 量子開關(guān) 物理學(xué)家在這里討論的因果不可分離的量子過程被稱為“量子開關(guān)”（quantum switch），這是最近被提出來用于提高量子計算機效率的概念。在這項新研究中，物理學(xué)家引入了一種測試來檢測因果不可分離性，它與測試量子糾纏的方法類似。如果一個操作是經(jīng)典的（即只包含可分離的時間順序或非糾纏態(tài)），測試會產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的值，而反之則會產(chǎn)生另外一些范圍內(nèi)的值。 物理學(xué)家表明，任何量子過程的因果不可分離性可以通過這種新的方法檢測出來。在未來，它或許可以幫助我們在其他系統(tǒng)里通過實驗檢測因果不可分離性。 研究者解釋說，量子開關(guān)的因果不可分離性（即該操作不遵循一個確定的順序）并不意味著它破壞了因果律，比如讓原本后發(fā)生的事情先發(fā)生了之類的。這是因為量子開關(guān)中本來就沒有確定的過去或未來，不會有哪個事件“本該”在另一個事件之前或者之后發(fā)生。雖然量子開關(guān)并不違反因果律，但科學(xué)家還不清楚關(guān)于真實發(fā)生的物理過程能否實現(xiàn)這樣的效果。 因果不可分離性用于計算 此前的研究已經(jīng)指出量子開關(guān)在計算方面比因果分離的協(xié)議更有優(yōu)勢，這表明因果不可分離性在量子計算方面可能有應(yīng)用前景。 “人們在研究量子計算機或是其他能夠進行量子信息處理任務(wù)的設(shè)備時，通常假設(shè)它們是按照某個特定順序工作的，”Branciard說，“這是量子計算中標(biāo)準(zhǔn)‘回路模型’（circuit model）的基本假設(shè)，常用于描述量子計算機工作原理。因此，我們對于量子計算機能力的了解，只局限于有特定因果順序的操作——即因果分離的操作中�！� “意識到了量子理論還包含因果不可分離的過程（如量子開關(guān)），就為量子計算打開了新的可能性，我們可以很自然地期望因果不可分離的過程能在一些任務(wù)上取得更好的效果�！� 物理學(xué)家Giulio Chiribella提出了一個例子來展示操作順序是否固定有何影響：如果執(zhí)行“先A后B”與“先B后A”得到的結(jié)果相同，這些操作就被成為是“對易”的（commute），否則就是“反對易”的（anticommute）。 為了搞清楚某個操作是對易的還是反對易的，一個因果分離的過程必須進行“先A后B”和“先B后A”兩項操作，并比較結(jié)果。而另一方面，因果不可分離的過程，如量子開關(guān)，就可以在量子疊加態(tài)中同時進行兩個順序的過程，從而一步解決問題。從這個角度看，因果不可分離過程不僅效率更高，在有些問題中甚至還是唯一的解決方法——比方說，如果有的“黑箱”在一次操作之后就會被損壞，那就必須在一步之內(nèi)解決問題。 由于量子開關(guān)只是因果不可分離性的最簡單的例子，物理學(xué)家希望其他的因果不可分離過程還能帶來更大的驚喜。 “從更普遍的角度講，我希望因果不可分離過程能在其他各種場景下得到應(yīng)用——就像量子糾纏能在量子信息處理的各個方面得到應(yīng)用一樣，”Branciard說，“因果不可分離性的強大威力還在等待我們挖掘，這使該領(lǐng)域研究充滿了激動人心的魅力。”（撰文：莉薩•齊加（Lisa Zyga） 翻譯：丁家琦） |
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不符合因果定律的不是量子力學(xué)。相反是如果我們從經(jīng)典存在觀出發(fā)的話，那么實驗觀測到的量子現(xiàn)象違反了因果定律。或者說非超距的經(jīng)典物理不可能符合因果定律。所有這些實驗里的悖論都是經(jīng)典假設(shè)導(dǎo)致的。所以必須要采用量子力學(xué)理論才能保持因果關(guān)系。 發(fā)自小木蟲IOS客戶端 |
3樓2015-11-09 22:10:45
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7樓2015-11-11 20:09:11
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